光學鑷子(optical tweezers)
清華大學物理系
近代物理實驗室
初稿2003/10/31
一、 目的
使用雷射光捕捉微米粒子。
二、 原理
粒子被拉向焦點
來自物鏡的光 粒子受到向上的力 粒子受到向下的力 粒子受到向左的力 =粒子中心 =光焦點 F
三、儀器
二極體雷射(658nm,23mW)，修改過的鹵素桌燈20W，平凸透鏡，三軸式移動平台，100倍油物鏡(NA=1.25)，高黏滯性物鏡油，網路攝影機。
實驗裝置如圖一所示。
四、裝置
實驗裝置如圖一所示。
本實驗裝置分成兩部分:光學顯微鏡系統和雷射光源系統。
實驗者可透過光學顯微鏡(先架設)，看到微米粒子的運動情況。
用來捕捉微米粒子的雷射光束由雷射光源系統產生。
架設實驗裝置時，保持光束(雷射和顯微鏡)在同一平面，可簡化稍後光束的校直(aligment)工作。
利用名片卡將全部的光學元件調整到接近參考高度，但與雷射光路徑成90度垂直的顯微鏡光路徑較難調整。
1.光學顯微鏡系統
顯微鏡光源是修改過的20W鹵素桌燈，並使用兩片平凸透鏡將光聚在
樣本上。
樣本是垂直的固定在三軸式移動平台，用於側向移動樣本與聚
焦。
我們選擇100倍顯微物鏡，因為物境的透鏡與樣品均鉛垂放置，所
以須使用高黏滯性物鏡油。
微米粒子將在距物鏡背面約160mm的位置成像，直接將影像投射到網
路攝影機(Web camera)的CMOS探針上(須先將攝影機前端的透鏡移
除) ，最後再將數位影像訊號傳至電腦。
2.雷射光源系統
從二極體雷射出來的雷射光先後經過平面鏡與雙色面鏡(dichroic
mirror) ; 需使用兩面鏡子調整雷射光束，使光束與顯微鏡光軸(物鏡光
軸)重合。
雙色面鏡的主要特性是將雷射光反射至物鏡內，同時讓影像
光束通過。
在兩面鏡間放入一個凸透鏡，使光束聚焦於物鏡背面160mm
處，是為了得到強度分布較尖銳的雷射光束。
五、步驟
1.先利用雷射光束進行粗調，將兩面平面鏡與鹵素燈座調整至適當位置
(雷射光束經兩面平面鏡反射後仍在同一高度)。
2.放入物鏡，調整物鏡位置使雷射光束經過物鏡後光束輪廓對稱且中心位
置仍與未放物鏡前相同。
3.放入兩個平凸透鏡，將鹵素燈光聚於物鏡前。
4.固定樣本於移動平台上，將CCD放置在距物鏡背面約160mm處，確
認得到合理輪廓與對稱的粒子影像。
5.放入適當焦距的聚焦透鏡於適當位置(固定在單向移動式平台)，使得雷
射光束在距物鏡背面160mm處聚焦，且確認進入物鏡前的雷射光束大
小和物鏡背面孔鏡大小相同。
注意透鏡反射光需與入射光束重合。
6.接著可以準備捕捉微米粒子。
最基本的需求是雷射光束中心在光軸上且
光束與光軸平行，滿足上述的雷射光經物鏡後光束輪廓對稱且光束中心
位置不變。
一個訣竅是注意水平與垂直方向的調整是互相影響。
因此，
為了校直光束的水平位置與方向，可同時調整兩面鏡的水平旋轉鈕。
7.重複步驟6 改調整垂直方向旋轉鈕。
8.最後沿著雷射光軸調整聚焦透鏡位置(單向移動式平台)，使得光鑷子的
光束焦點與顯微鏡的焦點在同一位置。
通常，我們會將光束焦點落在蓋
玻片內，捕捉到的粒子將受到往蓋玻片內面方向的拉力。
這種捕捉方
式，往往造成粒子被釘在玻片上。
9.完成上述狀況後，再將聚焦透鏡往物鏡方向推進，光束焦點將深入水溶
液中。
註1.因為低於3μm粒子的密度約等於水，所以粒子將緩慢沉澱。
為了捕捉更大的粒子，我們需使用水-甘油混合溶液作為溶劑。
六、問題
1.請估算1μm粒子所受到的重力並與光鑷子能產生的最大恢復力的理論
值作比較
2.測量由二極體雷射發出的光束直徑與物鏡背面孔徑，推算出所需使用聚
焦透鏡的焦距
七、參考資料
1.John Bechhoefer, Scott Wilson, “Faster,cheaper,safer optical tweezers for
the undergraduate laboratory,” Am.J.phys.70,393-400(2002)
2.Stephen P. Smith, Sameer R. Bhalotra, Anne L. Brody, Benjamin L. Brown,
Edward K.Boyda, and Mara Prentiss, “Inexpensive optical tweezers for
undergraduate laboratories,” Am.J.phys.67,26-35(1999).
3. D. N. Moothoo,J.Arlt, R. S. Conroy,F. Akerboom, A. V oit, and K. Dholakia,
”Beth’s experiment using optical tweezers,” Am. J. Phys.69.271-276(2001)。